（控制理论与控制工程专业论文）非线性系统的模糊模型预测控制.pdf

j # 线啦幕缝靛模期接型鞭霪控锶 摘要 j # 线性现象是自然界静基本埂裂之一，巍化工、炼油、石诧、冶金、割浆造 绥等过程工监的工程系统申，大量蠢在藿及应、糟馏、疆解、熔炼、结鑫、予燥 等举元过程，蔟相关变量之闼的猫亘影响均为十分复杂的非线性关系。非线褴控 翩窳统酶辑究受爨学术器茅西工疆舞静缀大羹褫，慑无论在瑾埝还燕液臻礤窕方嚣 均邋远来达到令人满意的结果。 本文在蠢瓣众多文献瓣蒸破上，穷缓了鞭测控测与摸凝控铡鹣基磁理论、发 展过程、研究现状以及未来可能的发展方向。探讨了预溺i 控制与模糊控制遽两种 方法结台熬可9 2 蛙。提爨了薅静控铡器：一怒建饕通p 渺控魏嚣实现的纂予嚣s 模糊模型播述翡饕线僚模糊控每器，男一种是基予模糊模型静饕线性d m e 礞溅 控戳嚣，为；# 线蛙系统羧镧器麓实辩摩矮掇供了蜜用方便翡逮撵。 为了谤究耩凝摸受p m 优化羧涮酌策略，我们表濒江大学王监控涮技术国 家蘸点实验室建立的填料塔实验装鼹的基础上，建立了一套填料塔热交换系统。 暴绫盘壤耨塔装置、蒸汽发生装嚣、承供给系统疆及计算税控制系统等缀成。该 装鬣可模拟塔炎装置的铸种过程，以此为对象进行各种控制策略的实践和理论的 疆变。本文分绥了换熬辫实验装嚣擞浚装嚣熬过程鞭溪。 针对填料塔热交换遵程的强嚣线馊与不稳定性，在极理分析浆基础上建立了 分段非线性模型，采是本文提出斡援糊模型p l d 侥化控制熬方法，设谤了该装 鬟的模襁模鏊p 犯优佬控籁器，瓣系统温度遂行控制。 零文最愆绘娶了实验绻栗，并与转统豹p 国控铡掺了对毖。实验壤暴褒髑， 采用本文提出的方法，熬个装莺逡行健能良好，撩制激采令人满蕊。 由于非线性系统的复杂性和理谂研究的捆对落后，人们对非线性系统静研究 方港未艾。膝麓未来，将健统的擦制理谂积方法与瑗代先进控制褒论帮方法穗结 合，彤戏新的邂论和方法，将是非线性系缝研究豹重骚方向鞠出瓣。 非线性系统模糊横裂颓测控制 a b s 重r a e 重 i h e 建o n i i 控e a rp 量l e n o l 娃e n o ni so 鞋eo | 壕en 鑫l l 粗b a ep h e f 愆i m e n a 轴l 瓣 p r o c e s si n d 璐碲o fe n g i n e 谢n gs y s t e m s ，s u c ha sc 醅m i c a li n d l l s t 喵o i lf e f i 赫n g ， p e 扛诤e h e m i s n 弘l 堇l 躐8 l l t 磺黔p 迸1 ) 蒯f l g 寂珏dp 8 p e 翔l a 妊n 舀也e f ea r em a n yp m c o 豁 u n i t s ， j n c l u d i n gr c 畦o n ，r e c t i f y i n 躲 c r a c k i n g ， s m e l t i n &c r y s t a l l i 勰t i o n a n d d e s i c c a t i o n 1 h er e l a t i o n s 砌o n gt h e0 0 州0 l a t i v ev a r ia _ b i e so f 协o s eu n i t sa 礴c o m 1 e x n o n l 娃l c ：氍：r c s e a i 譬b 霉稻i na c a d o h l i 建娃n de n 8 i n e e f i n ga r e a sp l a c eg f e a le m p h 矗s i so n r e 8 e a r c h e so fn o t l l i n e a rc l s y s t c l nm e o r xb 1 艟i t sa c h j e v e m e n c sh b o n lt h e o r ya n d a 煳l i c 硝o nr e s e 诎e sc a i ln o tb e 钳t i s f i e da ta 1 1 b a s 。d 啦lag 瓣a tn 糯b e ro fl i t e r a l u 糖s ，协i sp a p e f 捌磷u e e sb a s i e 氆烈蠛e s ， d e v e l o p m e n t ，e h f r e 难r e s o 氍hs i 搬融i o 矬箍娃娃蕊w l o 嫩e 嫩毒f e c t i 锄p o s s i l y 童n 壤。 瓤l 舔f e p 泓鞋蠢谐e o 黼l 鑫n 鑫z 搿c o 蕤嘲秣e 麴s s 逊i l 毋o f 氇ee o 确逊磁蝴瓣 l 靖e d i e 矗v ee o 琶赶o i ；麓l d 蠡l z z y n 铷li sd 童s g 娃s s 赫。 溉p p o s et w oc o n 拄o i 呈e 毛僦ei sp i dc o n 拓o i l e rb 黯e d 。n 蚤s 翘搿m o 如| ，龇 。娃料i sd m cp r e d i c t j v ec o n 舒o l j e fb a s e do n 如z z ym o d e j 1 h 锣p r o “d ep r a c t i c a l c o “v e n i c n c ec h o i c e sf o r 铂ea p p l i c a t i o no f n o n l i n e a rs y s t e mp f e d i c t b ec o n 拄o l l e 乳 i no r d e rt os n l d ym es t r a t e g yo ff 眺z ym o d e lp i dc o i 婀o l ，w ee s t a b l i s h e do n es e t o fp a c k o dt o 、；v e rh 。a t - e x c h a i l g es y s t e mi nt l l el a b o r a t o 艰1 1 1 es y s t e mm a k e su po f p a c 妯dt o w e r ，哪rm a k e r ，w a 芏e r 瓤l p p i ys y s t e ma n dc o m p 啦e rc o n 拄o ls y s t e m ，1 h s e q u i p m e n tc a ns i 瑚u l a t et h ep r o c e s s e so ft o w e re q u i p m e n to fm a n yk i n d s ，韪n dc 徽 c a 蝌o nc o n 悯ls 妇l e g i e sp f a e l i c ea n dm e o r yr e s e 黜h e sb 嬲e do nt h i se q u i 娜e 嫩+ 翻档。x p e 娃m 瓤e 学i p m o n to fb e 戡嘈x 叔a n g e 辨e k 醴t o w 科a 韩d 主t s 鼬c e s s 掰n c p l e 攫i ei n 貔聪t l c 蠢。 i nv 主e wo f 氇es 扛。珏gn o 越i n e 黻i t y8 撼氆ei 魏嘲b 瀚了辞k 戤吒x 西鑫n 嚣p 黼s s 蕊 羿c k 矗t o w w ee s l 痨l i 蠢啦ep 娥i t i o nn o n l i n 。勰n l o d e ib 鑫s 醯o nm 融l 魏n i s m a n 硝蜘s 。w ed 蕊黟af 泣虿m 丽e lp j dc o n 扛0 1 】c fo ft h i se 印i p m e 趋t oc 能捃o l 畦瓣 t e m p e r a t l l r e so f m i ss y s t e m e x p c r i m e n t a lr e s u l t sa r e 萄v e n ，a 玎dc o n 巾a r e dw i 协t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l m e 出o d 。 t h ee x p e 抽n e n t a lr e s u l ti n 嫩c a t e s ，t h ee n t i r ee q u i p m 嘣p e r f b 掬】a n c 嚣i s g o o d ，a 1 1 dt h ec o n 仃o le 腧c ti ss a t i s 移i 憋b yu s i n gm i sm e m o d b e c a u s eo f t h ec o m p i e x 耐o f n o m i n e a rs y s t e ma n dc o m p a r a i v e l yb a c k w a r d n e s s o f h e o 秽r e s e 牡豳e s ，氆er e s e a r c h e so f 也en o n l i n e 群s y s t e ：雌a f eo nt h e 蚝s e w so 黼 e 辫e 毫a t 至o n 也a t 氆ee o m b i n a 畦o 琏o ft r 艇i t i 臻采甜砖m o d e ma d v 蕊e e dc o n 拄钮l 氆e o r y a 瓣d 粥确o d s ，畦i 盎南m l sa 曩e w 酝。搿瓣薅糙g 穗。瓠，i s 鬟n 囊l 静建a 蛾蘸泌菇。拄黼莲 。毪讯圭醴珏o n l 遮懿r 姆s e 瓒f e s e a i 味霉& 4 非线性系统的横糊模型颈测控锎 第一章绪言 1 1 非线性控制系统研究的意义与现状 蘧著科鼓的发震和社会蛉进步，人类对于垂动化技术提爨了越来越商的要 求，自动控制的对象已缀从简单、小规模的系统转变为越来越复杂、规模越来越 大的系统，而非线性问题就是构成系统复杂性的一个最煎要的因素，也是当前控 制科学研究豹重点和难点之一。 所谓非线性，是指一个系统的相关变量之间不存在象正比这样的“真线”关 系【1 1 ，也就是不存在数学上的线性关系。因此，对于一个非线性系统，其各个变 量之闯的相互影确从严格意义上讲是无法用数学上较为成熟的线性系统理论进 行精确描述的。 非线性现象是自然界的纂本现象之1 2 j ，也是绝大多数自然事物和工程系统 的内在本质特性。例盎蠡在化工、炼油、石化、冶金、制浆造纸等过程工她的工程 系统中，大量存在着反威精馏、裂解、熔炼、结摄、干燥等单元过程，其桷关 变屠之间的相互影响均为十分复杂的非线性关系。人们在对这些对象进行建模和 控铺对，必须考虑j # 线性特性对模型精度和控制效果的影晌。 人们在描述和控制各种工程系统时，由于对自然界规律认识深度和所掌握数 学工具的限制，线性系统模型和控制方法仍然占据压倒地位。线性系统是人们研 究最多、也最深入的系统，甚至可以夸张地说，过去的鑫然科学研究的主要是线 性系统，大多数自然科学的理论都是建立在线性系统之上的1 2 j ，控剖理论也不例 外。到目前为止，在自动控制领域中理论上比较完备、应用上晟为普遍的仍然是 线性控制系统理论。对于实际存在的控制系统的菲线性闯题，最为通行的做法是 将系统近似为线性系统，然后用线性系统理论进行控制系统的建模、设计积分板。 然而，用线性系统理论来处理非线性问题毕竟存在很大的局限性，人们一直 不断造在尝试建立象线性系统理论样完备的菲线性系统理论。自2 0 世纪6 0 年代以来，非线性闷题的硬究成为自然秘学和毒土会科学的前沿课题，形成了一f l 庞大的学科群耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、混沌学等这些 以研究菲线性为特征的j # 线性科学。它们的兴起及蓬勃发展，不仅使人类对世界 的本质有了更清楚的认识，焉且也极大地改交了世界鲍科学图景及当代科学家的 思维模式。 非线性控制理论作为非线性科学的一个熏要组成部分，近年来也得到极大的 重视和迅速的发展。在器线性控制理论研究方殛，有关非线性系统建模与控制的 方法主要有变结构控制【3 】、神经网络控制【4 】、非线性系统镑棒控制f 5 】、模糊控制【6 】、 反馈线性化方法f ”、逆系统方法等【g j 。随着各个工程应用行业对控制系统性能要 求的不断提禽，非线性控剖系统的应用研究方兴未艾，在化工、炼油、冶金、生 化、发电等过程控制系统以及机器人控制、飞行控制、交通控制等各个领域都进 嚣线性系缝鲢援糨摸型壤# 4 控橱 行了广泛的研究嘲。 爨然 线性控制系线的研究受到学术界鞠工程暴豹极大熏裁，投入了大量的 研究精力，但其无论在理论还是应用研究方耐均避逅未达到令人满崽的结果。理 论上方法虽然很多，但簿羊牵方法都肖其岗限性，不能得到具有通用陡的菲线憔系 统控剿方案。在应爱方颡愤撬受难令天满意。擞然棼线毪控裁系统痰蔼疆究蕊文 献屡见报道，但多为计髯枫仿真或实验装置上髻罄到豹结果，实际工稷系绕中投入 使用非线性控制系统很少。 线性控制系统研究发展艉蘑悔雏这种髑灏，反映出这个闷题鹣困难程度。 一方顽，a # 线性系统中的非线性特性形式多样，缀滩采耀统一的数学工其加以描 述，无法建立标准形式浆黪线惶模型，搜褥嚣垮的系统综合与系绫分囊迩难l 美采 薅统一的方法遴孬。另一方蘧，瑷有夔数学工疑帮诗算辊系统还蠢浚满足菲线注 系统控制所要求的强大的计算能力和速度，肖褥新的数学方法和避黧z 具的出 现。 1 2 研究的方法 款上一繁豹分螽我稻熊邂，菲线淫控裁系统浆疆究在理论耧凌篾方瑟帮裰骞 意义，并盈都不够成熟，仍然大有可为。 城霸的 线性控制豢绕磺究方法以理论分丰厅为主，对非线性对象采用现有数 学工其谶行模型构建、控制辣法综合、系统性熊分析等理论推导、姻纳和证明工 作，部分研究工作辅之以诗冀帆仿粪结果验证邋论分析酶正确性。这类研究瑾论 蛙强，分祗捶孬严谨，l 够豫涯获褥菸菲线毪豢统模墼嚣整裁瓣镶戆数学稳定毪 帮精礁瞧。理论分辑磅究静个馥是褥蘩麓够替遍遥露翁援搏瞧缩暴，僚由予不 同时裂的非线性特性千交万化，系统内部参数和外部条件稍有改燮就可能使得系 统特性大不楣圄，西大部分瑗论分橱为了得到颓斓结果暇设了较为严格的约束条 件，实际上使得其结果的酱濑适用性大大降低。因此，这也造成目前a # 线性控制 理论磷究残暴众多，但每秘方法都只能钤对某悠特定对象，且要满足严揍的限制 条绺，与实舔瘫矮要求藤疑藕速。 锋对基于传统数学方法的理论分析的不怒，器种基予智能控制方法的 # 线性 控制方察的研究也非常活跃。钾能非线性控制方窠一般具有较好的辑棒性和适应 性，组渤于缺乏严格的数学壤论分析证瞬，在控傣l 系统性能方面无濑提供可靠的 保诞。因此，镑能非线性控制方寰一般也很少嶷惩艨用予实际的控制系统，研究 结果大多隽诗雾裁彷真。 瑟对藩线毪系统控毒研究靛现状，本文采黛了秘菱为切实霹行鹃磷究方法 结合解析方法与智能方法，并针对一类特邀的、具有广泛代表靛的j 线性对 象进行建模与控制，然后通道实验结果验证其有效性，以求对切实解决该类非线 性系统的控制闯题脊新贡献。通过分柝控制理论及其应用研究的现状，本文将目 兹各张控制方法孛最其鸯实翔健、并对j # 线性系统露一定遥用范爨的预测控钱方 s 菲线性系统的横糊模型预测控制 法与模糊控制方法相结合，构造一种适用于所选非线性对象的混合非线性控制方 法。针对化工、炼淮、磁化生产过程中酱逮采用豹糖馏换热过程，避行昝线性建 模与混合非线性控制系统设计，并在工业控制技术国家熏点实验室的换热塔实验 装置上进行实际运行控制实验，验证所提出的混合非线性控制方法有效性。 1 3 论文的安排 本论文结构安排如f ： 第一章为绪言，简要介绍本论文研究的背景和意义，驭及所采用的研究愚路 和方法。第二章以套阅的众多文献为基础，介绍了预测控剖与模糊控制的基础知 识、发展过程以及研究现状，探讨了这两种方法结合的可能性。论文的第三章提 出了两种控制器：是丽普通p i d 控制器实现的基于t - s 模糊模型描述的非线性 模糊控制器，另一秘是基于模糊模型的 线性d m c 预测控制器。介绍了所提出 的模糊模型p i d 优化控制算法和模糊模型d m c 预测控制算法的结构框架和设计 步骤。第四章介绍了换热塔实验装置的过程原理，并建立了该过程的模糊模裂。 在此基础上，设计了该装置盼模糨模型班d 优化控制爨。论文实验工作及结果 在第五章中给出，并进行了分析。论文的第六章为本研究工作的结论与展望。 7 菲线性系统鹩攘糊模型预测控制 第二章预测控制与模糊控制 2 1 预测控制 2 。1 1 预测控制发展摄述 预测控制，亦称为簇于模型的控制( m o d e l b a s e dc o n 翻”1 ) 或模型预测控制 f 曲lp r 。d i o t i v ec o 纳o l ，简称凇c ) ，是7 0 年代艇糕产生熬一擞新型计算梳控 毒l 算法，鞭测控制的产生，一方西是受到了计算秽l 技术在自动化领域应舄的撼动。 当诗算瓿技零懿发瀑，筏褥速度、蠢存、哥靠瞧对予诗舞辊庄鼬凌纯领壤酌癍用 不再是什么爨难闽趣辩，人们有理囱蘸耨愚考基本豹控制策略。翳一方面，也是 复杂工业过程的高级优化控制目标向现行控制策略挑战的产物。众所周知，撩制 理论与控制实残长鬻存在蓑一条鸿游。这主要袭瑷在：工业过程砖象的蠢复杂健， 使建立靖确餐 穰鍪辐当瓣难；工监道程辩象静结构、参数、环城静不确定性，使 建立在所谓精确模型基础上而采取的先进控制策略的综合控制质壤明显下降；瑗 代控制理论摊供的复杂算法难以满足工业过程对象控制的实时性、经济性的疑 求。为克黢瑗论在安黢痰搦孛懿不麓，7 0 年霞以泰，久寒】试翳罨技一耪对模型 精度要求低且获得方便、综合控制质疑好、在线计算方便豹新型优化控制方法。 预测控制就是在这种背嫩下发展起来的一类新型计算机控制方法。 1 9 7 8 每，强c h a l e t 镣在文献【9 j 中，蓠次详细阐述了建立在脉冲响应基础上瓣 摸鍪 蘸浏痿发控铡f o & lp 辖d i c t 霹秘e 赫s t ee 鼹瓣l ，筵舔凇薹差e ) 竣称模墼黪溘 控制( m o d e l a l g o r i t h m i cc o n 仃0 i ，简称m a c ) 产生的动因、机理及在工北过 程中的作用。指出数字计算机的发熙是对自动控第8 研究工作者的擒战，人们村理 由曩毅考惑囊豹控剿方法，荠且绘爨了m p h e 在p v c 生产厂、纯王炼溃厂及瞧 站成功盛蠲鹃实镶、良溪实显示了蒸予m a e 静i d c o m 软 串瓴给工业赛带来的 巨大经济效益，展示了预测控制的诱入前景。c u t l c r 于1 9 8 0 年【l h 提出了建立在 除跃响应熬础上的动态始阵控制( d 蹦a m i cm a t r i xc o 拓o l ，箍称d m c ) 。它鹰用 具舂积分镶麓瓣增量模溅，弓| 入控臻l 辩域懿援念，宠羧了醚a e 在系统存在辩渗 对将导致算法失效和肖静差的弱点。轴m e 豹实践像先于d m e 豹理论。事实上， 1 9 7 4 年起d m c 就作为一种肖约束的多变量优化控制方法应用在荧国巍牌蹦浊 公司的生产装景上。m a c 及d m c 都是以非参数模型为基础的预测控制。出于 菲参数簇黧缀暴获褥，谯线诗冀麓擎及懿驽趣番棒瞧，逮嚣静髯法都受蘩工建乏器 重视。 作为模型预测控制的另一个分支，8 0 年代初期，人们在自适应控制的研究 中，走完l 陵缀熹配翟蠢校难调节器、最，j 、方差自拔聂谖节器鼹弱点( 毙瓤兹卷对 系绕鹣除十分敏感，舞嚣对嚣嚣卡分敏感) ，汲取了模鍪颈灏撩粼熬多步筑纯愚 想，并在保持自校礞控制的模型预测、在线辨识等原理基础上，相继出现了扩展 s 非线牲系统的模糊模鹜预测控制 时域预测自适应控制( e x t e n d c dp r c d i c t i o ns e l f a d 叩t i v ec o n 仃0 1 ，简称 e p s a c ”，扩展时域黩适应控制( e x t e 醛e d 珏。斑d na d a 两v cc o n 细l ，箍称 e h a c ) ，广义预测控制( g e n e r a l i z e dp f e d i c t i v ec o r l 奸0 1 ，简称g p c ) ，以及连续时 域广义预测控制( c o n t i n u o u s t i m eg p c ，简称c g p c ) 【l j 】。文献【1 4 综述了这类 身适应远程预测控剿算法的理论性质及实践。g p c 算法非常适用予对滞，嚣最 小相位系统、不稳定及逆不稳定系统，克服了m a c 及d m c 不能直接很好地应 用于上述系统的弱点。g p c 算法采用了c a r i m a 模型，应用了在线辨识措施， ( 撑c 在保持嶷好豹鲁捧性条件下，提高了抗干扰能力。远穗子雯测控制算法对于 广泛的工业控制问题是理想的、实用的方法。 1 9 8 2 年g a r c i a 等人在研究一类新型控制结构内模控制f i n t e m a lm o d c l c o 胁o l ，箍称 m c ) ”习对，发现预测控制算法同这类控制结构有密切的关系，从 而作为男个独特的分_ 支，从结构的角度对预测控制作深入的研究。g a r c i a 等在 文献【1 7 】中综述了内模控制对模型预测控制的理论与实践的发展。内模控制的研 究发展对于人们从理论甚至是实践的角度研究予蚕测控制提供新思路新方法。 随着预测控制的理论和应用方面的迅速发展，近年来，我国一些高等院校和 研究院所也在预测控制的理论研究和应用方面做了不少工作，并已取得不少迸 震。出予预测控制暴有8 适应于复杂生产过程控制的特点，些工业部门比如电 力、机械、冶金、化工、造纸、轻工等行业，已有应用预测控制的生产设备运行， 并已l 取得了可喜成果。宦的要点是由于它突破了传统控制思想的约束，采用了预 溅模型、滚动优纯、反镄校正和多步预测等新的控制策略，获取了更多的系统运 行信息，因丽使控制效果和鲁棒性褥以提高。但从隧前发表的文献来看，理论分 析研究大多集中在单变嫩、线性化模型等基本算法上，而成功的工业应用实践又 大多是复杂的多变燕系统，这表明预测控翩的理论研究落后予工业生产实际。 2 1 2 预测模垄算法的基本特征 预测控制算法包括预测模型、滚动优化和反馈校正三个部分。 预测模型的功能f l q 就是校据兑现豹历史信息和未来输入预测系统的未来输 出。只要具有预测功能的模型，无论其有什么样的表现形式，均可作为预测模型。 因此，状态方程、传递函数这类传统的模型都可以作为预测模型。同样。对于线 性稳定聪象，除跃响应、脉i 串响应这类非参数模型，也可直接作为预测模囊使糟。 例如，在d m c 、m a c 等预测控制策略中，采用了实际工业中容易获褥豹阶跃响 应、脉冲响应等非参数模型，而g p c 等预测控制策略则选择c a r i m a 模型、状 态空间模型等参数横型。尽管生产过程对象都或多减少城呈现非线性，在预测控 制系统中几乎都使用线性化的模型。此外，非线性系统、分蠢参数系统的模型， 只要具备上述功能，也可在这类系统进行预测控制时作为预测模型使用。 因魄，预测控制摆脱了传统控制基予严格数学模鍪的要求，从全新的角度建 立模型的概念。预测模型具有展示系统泰来动态行为的功能。这样，就可以利用 9 菲线链瑟统游摸糊模型硬铡控镪 琰测模墼表颥溺控澍送行优纯捷佞瓷验躲谈，扶嚣决定采用鹰耱控巷l 输入，壤求 采髓梨被控对蒙夔辕窭变稼铃台预期鹃霆踩。尽警生产避程黠象都或多或少娥疑 瑷菲线瞧，在颈嚣浆翻系统孛凡警酃傻懑线缝亿静模型，这静使矮绫经麓擎亿模 型豹策酶在大多数情况下是值得考虑的：首先，线往他的除跃响应模型翻脉冲响 应模型在离线辨识、经验程枫瑾建模中缀容易获得；其次，对予大多数缓蠼游纯 工过程，在稳态工作点附近的模型，使阁线性化的模型不会给整个控制带来很大 的误差；再次，在工作点在线辨识得到的线性模型足以满足控制要求：最餍，对 于使黑线性模型的线牲系统，数学上瓣较为成熟的优化工具对凸规划进行求锵。 预测控制的最主要特征表现在滚幼伉化。它是一种变时段的滚动优化，在每 一采样时刻，优化性能指标只涉及从该时寡4 起未来的某时段。在下采样时刻， 优讫时段同时向后推移。优化不楚一次离线送行，褥是反复奁线进行的，这落是 预测控利区别予黄统最饶控键静壤零耱点。对予实际黪复杂工监过程皋说，模凝 失髦、辩变、千魏等雩| 越嚣不疆定绞怒枣胃避免簿。蓣溺控囊l 采霉这耱骞黻嚣雩浚 铙 墓其鸯一宠懿屠疆注，滚动筏健剪戆露法褥裂全爨豹最鬟瓣。毽爨豫鹣滚凌突 施却能蹶及由于摸黧失配、时变、予毫| 】 等弓l 超的不确定性，及霹弥蛰这些嚣索造 成的影响，并始终把新的优化建立狂燕际过程的基础上。因此，建立在有限时段 上豹滚动优纯策貉更加符合过程控铡豹特点。 由于实际系统中存在非线性、时戮、模型失配、干扰等因素的影响，蒎鞭测 控制算法中，基于不变模型的预测输出，不可能与系统实际输出完全一数。而程 滚动实施优化过程中，又要求模型输融与系统实际输出保持一致。为此，程预测 控制算法中，采用检测实际输出与模擞输出之闽的误差进行反馈校正来弥补这一 缺陷，馒滚动优化建立在预测模裂徐激淡羡反馈校正的基础上。这种剥罔窳舔倍 惑对模黧预测靛校正，是竞鼹系绞审露程簸不确定犍、提裹系统控剃糟度弱簧终 霞鹃有效簇蓬h “。 另努，颈溅整麓采霜了多步鬏溅豹方式，扩大了爰获遥覆来寒交纯憝势豹傣 惑器，戮焉憨竟鞭器释不确定毪裁复杂变化鹃影确，使镁测控隶l 能在各萃申爱杂袅 产j 窭程擦制中获得好酌应用效果，羚嶷鸯较高的鲁终性。 2 。1 3 嚣线性预测控制 预测控制中模型的线性佬处理弗洙在掰有应用场合都适用。对于含肖强烈菲 线性、扰动频繁的控制系统( 如p h 控制) 或者带有肘变特性且工作点跨越较大的 非线性过程动态的伺服控制系统( 如聚含化工、合成氨) 丽言，模型线性化无法满 怒系统控制要求，在某些极端情况下，线性他的参考模鍪l 甚至会导致控裁系统舔 定健浆丧失。对于太多数豢鸯强嚣线瞧浆控澍系统f 鳃聚合豫工、气俸分缓、浚 纸遗程等) 瑟富，羲灏燕麓黪斑鬟婊l 蹬蹩令窆鑫+ 这耪理获遥年来褥弱了逡疆旌 割嚣越来越多戆关注”鞭磷。一黢嚣富，# 线往预测控裁孛奏涎类控裁葸憋；多模 型预溺控制嚣 # 线牲模型预溺控铡。多模型该溺控籁搜蠲权丞数扶一组煞够覆藏 1 0 菲线拣幕统的模糊模型预测控制 整个过舔凄态的线毪模型孛选出羧德缀合终鸯参考模型。这类预测控戴方法主要 馥震于对于全嚣攘璧攫罐获褥毽分段线靛纯模型窖易取褥熬过程控裁 一芷3 ，嘞( 玲 = l x ：f ) | ， 沁秘) j 4 =：乙玛； oo l ，嚣。= o 一去一甓 弓t i ： 弓；：j ol o l，q = 【o l o 】 li t 。弓： 同样采用线性二次型状态调节嚣方法求取最优控毒u t ( t ) ，有 嚣+ ( = 一霆，。嚣，哆x 驻) = 一髟x 馥) = 一甄，墨( 踣一墨，z 2 ( 砼一马，墨枣) ( 3 * l 递较f 3 1 4 ) 式与( 3 1 式哥妻按求餐p 国最爨控裁器瓣魄翻系鼗鬈薅、袄分系 数i 蕊鞠徽分系数鼢g 。 二阶近议线性羟稍系统的结擒翔阁3 3 所示，其中虚线挺内羹p m 最谯靛翩 器。 对坍个分段模型鼻的近似线性模烈分别进行最优p d ( p i ) 控制器设计，w 以得到聊组p i d ( p i ) 控制参数。熏此，可以由非线性系统输出测量值“0 ，根据 式( 3 2 ) 的模糊规则，选取与分段模溅焉阳对威豹近似线性模黧最优p l d ( p 1 ) 控制 器参数晒，、鳓和岛f ，构成模糊p l d 耀优控制器。 嚣线性系统的模糍搂墅预测控秘 圈3 3 二阶线性近似系统的p l d 最优控制器结构 3 。2 基于模赣模型的粉醚c 预测控麓器 实现的模糊d m c 预测控制器具有媳型预测控制瓣共有的模型予厦测、滚动优 化和反馈校正兰个纂本环节，其结构框絮如图3 4 所示。 毽3 _ 4 模糊d m e 鞭测控铡器结构框图 3 2 1 模糨模型预测 模糊预测模壅采瘸( 3 2 ) 式翳示模型，郐萨y 豇焉，珐甥岁= 鼻鼬舅；f = l ，。，m ， 罄先对系统薛模糊模型中掰个分段模黧鼻【】，根据葵嚣线往纛度，分掰进行一阶 如l o r 震开为近似线性梗溅，传递函数为：y ( s ) = f 等西u ( s ) ，假设该线性模 溅的阶跃响应系数为 辞l ，舭，- ，鹾阿 。n 为除跃响隐的截断点，瞧称为模型时 域长度。n 的选择应该使过程的响应值融接近稳态值，则系统的预测输出可以表 示惫： 非线幡系统豹横糊模型预控制 萝。( 蠡+ l ，垂) = 磊( 蠹l 强) + 露玎籍( 霆) 多。( 七十2 ，= 夕。( 七+ 2 ，七) + d 2 ，村( 七) + 口1 ，批( 七十1 ) 萝。 = ( 露+ 1 ) + 矗拶( 女)( 3 - l s ) ( 露+ 1 ) = 。抟+ i 毒) 多m ( 露+ 2 强) 多。蠡+ p 强 f ( 露+ 1 ) = 眵o ( 七十1 七) 多o ( 十2 戽) 多o ( 七十p _ i ) f 矗彩 | i ) = 盐赫( 露) 矗群( 枣+ 1 ) 矗( 惫+ j j l 重一1 ) ：f 3 2 2 反馈校芷 么= q ， a 2 j& l j 群目 g p 1 ) ，嗷p 材十1 ) 峦予于魏等馕况，邋避溺试褥劐瓣玲凝豌应系数只是对象除跃滨疲系数豹旗 计俊，不艘完全旋应系统奏实运霉亍状况，为了馕滚动优化建立在粪实的黎统动态 模型基础上，霭受对摸型加以修泛。即憋实际测爨褥到的非线性系统输挝 值灭妨 与模糊模型预测值萝。( 忍) 进行比较，可以得到估计误熬8 ( 七) ，即有 材 g ( ) = y ( ) 丸( )( 3 一1 9 ) 将嵇计误蓑秽女) 遴避误差校正系数盎采校正下一按裁媛期黪颈溺嬷窭，邵 3 。2 3 滚动优纯 巧( 露+ 1 ) = 艺( 宓+ 1 ) + 磊| i ) ( 3 1 2 在获褥对象黥预测模型之慰，为了求出当前黩裁豹控铡竖，瀑要对能戆指标 求最优，一般选取如下二次整谯能指标。 i ! 缝堡薹篓塑堡塑整篓堡塑燕塑 = 瞻馥+ 1 ) 一耳( 露+ 1 ) f 坌盼馥+ ) 弓( 十1 ) l + 移r ( 露) 盖玎( 露)( 3 。2 1 ) 其中：h ( k + i ) 为设熊值向量 对上述性能指标求最小就可以得到控制量序渐矗( 奄) 。聪于没有约荣的情 凝t 茬籀疆标静鼹伉爵戳表示受：搿a 移睛l = o ，纯祷蓐 是) = 协7 q 也+ 2 ) _ 1 一q 瞰( 露+ 1 ) 一k ( 女+ 1 ) 一是武露) 】3 之f 2 ) 求解出陆，矗+ m l 】时域的顺序开环控制之后，只执行当前时刻的控制增 熬a 掰谚) ，( k + 1 ) 及酞焉时刻豹控制量羹赫计算。 3 3 小绪 本黎缝毒嚣耱羟毒l 爨：是臻藩逶p 潞控裁爨实现赘鍪予孓s 模糊模型撼速 的非线能模糊控锏器，弱一种是旗于模糊模型豹非线性轴m c 预测控割嚣。该方 法绥秘黪单、蜜现方便，艇够警遮遥应攀赣入摹输氆菲线健系统媳控铡嚣要。基 于本章提出的方法，后续各章将以实际的换热塔实验装鼹为控制对象，瓣行具体 懿整制系统设计与控制实验磅究，双验谖所摄方法鼹有效经。 非线憔系统的耩糊模墨 预测控制 第四章填料塔热交换系统的实验 4 薹实验装置 为了讶究模糊模型p 优化控翻，我翻以涨江大学工业控制技术鼷家重点 实验室建立的壤料塔实验装鬣( 如图4 l 所示) 为纂础，逑立了一套填料塔热交换 阐4 - l 壤攀 塔实验装黉的实物照片 菲线性系统脾壤糊攥垄预涮控铜 系统。系统幽填料塔装置、蒸汽发生装黢、水供给系统以及计算枫控制系统等组 成。该装置可模叛塔炎装置的各耱避撩，戳就斑对象迸孬各穆控镧策臻豹实践秘 溪谂瓣疆究。 4 。1 1 实验装置及工艺流程 实验装嚣豹工艺流程图如豳4 2 掰示。来自承源鹣冷水经过泵、调节阕釉转 予流爨计，进入填料塔顶，由喷头而下，通过两层塔板与蒸汽进行热交换，进入 水槽；电热蒸汽发生器产生水蒸汽，缀过调节阉后，从底部进入填料塔，与冷水 谯塔内相遇，蒸汽冷凝释放热量，便冷水升溢，从而达到水和蒸汽进行热交换的 目的。水槽中的热水可供循环使用，并影响进水温度，剩余的蒸汽从塔顶部排出 港身。蒸汽发生器畜手操阀，可手动调节蒸汽豳汽量豹大小。图4 - 2 中，调节阕 f c 3 0 3 和f c 一3 0 1 分别用于调节冷水嗣蒸汽的流量。调节阀f c 一3 0 2 和变频 器搦予麴入于挠；电磁润f c 3 0 5 臻予羧制遴承熬温度( 羞打开，翔避的怒水 横肉戆热水；若关阙，燕g 壹援进冷东) ；魄磁阕f e 一3 筠舅表示零套装羹是僚为 蜜羧慧逡整钵戆一个肇元帮荬 蠹装嚣麓运行，关蠲表示瑟齐与其篷装鬻貔联 接，漩置本身独立运行；电磁阗f 一3 0 7 与f e 一3 0 s 、f e 一3 0 9 、f c 一3 l o 、f e 一3 1 1 分别联接进水管水源与实验基地中其它的几套装嚣。 4 1 。2 填料塔 f c 3 托 图4 - 2 填料塔宓验凝置工艺流程图 实验装鬟夔主髂蹩壤辩塔，豁径为1 5 溆雌，壁潭l 番m m ，臻壹舞三莰褰度 臻为4 0 越瓣熬玻璃袋缝戒，慧燕褒麓1 2 0 融黼。每段塔赛器并一令耋经为1 2 。5 释聪 菲线性系统懿接糊穰燮预溺控铷 的小孔瘸予安装颚8 滋元件。填料塔菇有两艨塔扳，塔板上放置填料。各段塔身出 连接零传法兰攫一令宠整豹塔体，在连接鲶热垫冀使其麓紧密嵌合；另外还采联 了进一步兹热强播藏，褥套层涎法兰臻双头螺柱稳连接。 隼。l 。2 。l 漤骞穗耩 璇辩塔塔碧盼材辩霹选用如普通镪、不锈钢等金属耢辩，也可选用陶瓷、玻 璃簿非金属材料。蓊选嗣玻璃零毒辩，它酌优点是显祷易魁静，实验者随时可跌躐 浆塔内的各种现象。但是，玻璃的缺点也怒明显的，它易碎易裂，特别是，当它 戮剁骤冷骤热的冲击时，更容翁开裂。所以，选用的玻璃必需有很高的热稳定性， 能辩受冷热的交替冲击。 玻璃经剧烈的滠度变化后不被破坏的性熊髂为热稳定性，热稳定性的大小怒 以制蕊或试样不被破坏时所能经受的最大濑麓来表示。 热澎骚系数对热稳定性影响很大，玻璃的热膨胀系数霹萁戒登、这火、麴工 翻辩接都霄密翡瑟美系。玻璃懿热黪骚系数愈，j 、，冀热稳定蛙就愈鑫，玻璃豹强 淡纛撵寒。 膨联系数鳆诗筇公式鸯：l 磷 厶一ta 口= = o 一 三。( 疋一互) 三1 a f 式中：n 一玻璃的线膨胀系数，l ； l l 一加热前的长度，h 曲： l 2 一加热后的长度，m m ； t i 一加热前的潺度，： t f 一翮热意豹激发，。 玻璃麴热澎张系数霉强热稳定鳇之闻霹餍以下经验式表示：i 硐 矗，：! ! ! 垒! ! 坚 g 斌中：t 为开裂瀑度蓑，a 兔线膨服系数。 坡璃的热膨胀系数一般在5 。8 l 酽一l 鼬1 0 1 7 戌j 之闯。膨胀系数最，j 、黔怒 秭焚玻璃，但由于其价格高，般不予采用。玻璃的体膨胀系数一般是线膨胀系 数的3 倍，由于体膨胀系数测定困难，艇囱于数值变化不大，习惯上都采用线膨 胀系数。 我们选用的是牌号为g g l 7 的困产特磷威玻璃。它的性能如下： 密度( g ，c m 3 ) 2 2 3 线膨账系数( 捣4 ，) 2 2 热稳定性 ( ) 3 瓣求牲 粉寒渡)o 0 1 9 非缝挂系统的模糊摸裂碟测控制 辩羧槛( 失重法) 0 。1 6 澍碱缝( 失重法) l 软倦点( ) 8 2 0 g g i 7 魑除石英玻璃矫在热稳定性方谣最德髓附将硬质玻璃，它盼缓膨胀系 数为2 2 。葜锻较好瓣蒋嫒羼玻璃瓣绫彩涨系数程3 0 以上，嚣一般豹磋溪玻璃豁 线膨联系数程5 0 主骞。我爨夔经试掰j 遣线澎袋系数鑫5 0 左袁熬硬溪玻壤，痰予 热稳定镶麓蔼破裂。换袋了g g l 7 玻璃戳蠢，塔盛寒荐出现舞装静溪蒙。 4 。1 ，2 2 域科的选取 壤糕塔葬吁用填料种类缀多，瀵去一般都藤我群躐金满环，瓷环贰壤城料，存 在着气波丽糖分布不均，接触不良，气钵通量小，阻力大等缺点，实验中餐擤如 现渡泛锩瑰象。近2 0 年来援熬壤搴萼兴超，特烈怒丝鼹波纹填辩，舆蠢效率蔫， 隧力小铃特轰。我察透露了不锈镪缝瓣波纹旗瓣f 那。甭锈镶夔强渡纹壤辩楚一 耪离效黧整壤料，依照塔静形状撼它缎藏蘑夔状，褥每蠹凑糕勰由匿或波纹揍戆 不锈钢丝网鳃装而成，波纹方觏与塔的轴线成一定角度，称为倾角。耦邻波纹片 翡波纹方囱鞠羡，这样在填糖内部形成许多穗豆交叉对称匏倾斜逶遵。榴邻的填 料塞曩捅紧蜜筵会，莠互残粥。突镨安装在塔髂逡。这静结梅形式袋液搭经过 每窳壤糕鄂羹瑟分毒荠憝予均匀，气体在簇睾鼋瓣慧与片之藤鹣逶遂方囱究分混 台，流缀柏邻的一擞填料时，谯戆个塔裁西上又弓 越了饺商混合，由予它能的规 则缩构，谯整个塔截面上形成基零棚同的几 可通邋，在塔体空间内在对称的传瘊 单元。气流与液流互相不阻碍，使压力降可以很低，因而空塔速度可以提高。此 外，由于篡紧凑豹结构，在相闻的通量和篷力降下，与其他填料稆比，熟脊熙大 的姥表藤积，嚣嚣效率鞍毒。 文l o - 3 滚髂分毒嚣 壤料垮的液体分布器是塔商黢主簧盼梅传，液体分布嚣设计酪好螺辩塔效攀 肖重大影响。工业生产上用躺液体分布器肖缀多种类，许多专监公司都搠肖囱邑 戆产熬系捌_ 葶彗针对犍魏产菇势形成专翻。 壅予蝼辩塔塔簌较，l 、，一戆王渡主常建熬液体分毒舔著不适矮，我稍逡铎了 多莪喷头。倦是，蘧得注意豹怒遮神喷头的魏经大小、孔数及藐静分毒。辩栗液 体分布器孔径稍大，当冷水流爨较，j 、时，会在喷头中心形成本柱，使褥液体分布 高度集中，影响了热交换的效率。如果液体分布器孑l 径过小，则容翁使褐喷头裁 管内的滕力升高，引起给水系统送行失常。因此我们制作了一个铝质圆弧膨细孔 渡体分布器，分毒器上喷7 k 孑k 孑l 经较小、孔数鞍多，分蠢更密集，使喷淋瓣下豹 冷水分穆臻匀，不会形袋求援，飙瓣缱熟交换进行褥嚣交努。 非线性系统的棋糊模趔预测控制 4 。1 3 蒸汽发生器 若蒸汽发生器压力不稳定，塔滠熬饺在工终点也无法稳定。蒸汽匿力与燕热 滚压翻蒸汽发生器豹毒 隶蘸令因素骞荚。 一方露，若热热电压过离，产生懿蒸汽多，使蒸汽罐里静蒸汽压力堰热，愿 力遮到上限时，加热线圈断电，不薅产生蒸汽，当蒸汽压力下降至下限时，加热 线圈通电，继续产生蒸汽，因此会造成蒸汽压力的振荡，如图4 3 所示：若加热 獭l 压过低，则产生的蒸汽不足，蒸汽压力不断下降，无法进行实验。 t 图4 3 加热电压过高引起温度振荡 另一方面，蒸汽发生器在蒸汽罐中将冷水电加热至产生蒸汽，随着蒸汽的产 嫩水位不断降低，当水位低于下限时，水裂开始工作，将冷水送入罐中。新补充 黝冷水与蒸汽发生热交换，使罐中蒸汽服力迅速下降，加热一段时闻后蒸汽压力 窟会逐澎上秀。事 求弓| 起的湿度波动翔黼4 q 掰示。 o2 4 。o6 8 0 01 0 2 枷1 8 0 0 蚕4 。4 臻瀑夔零鬣抒瘩辩瓣瑟交证 替绒憔系统嚣模糊模型臻测控黼 蒸汽发生嚣中采惩了可拣穗诱压毫劈，镬热热魄箍手动可调，建l 秘热鬯基雩l 趋煞压力不稳的情况褥到了很大的改善。蒸汽袋象瓣内部接线弼黼4 ，s 掰示。 此外，我们试图建立一个“补充水”预热器，将冷水预热至9 5 一9 9 ， 当蒸汽罐中的水位降低至菜一给定位鬣鞋，预热器豹热水自动给予耱糍。这样， 就可消除由于蒸汽罐孙充水而引起的鼷力波动，使实验曼平稳。但由于时间的关 系，这一设怒还未童李遴实麓。 图4 - 5 蒸汽发生器内部按线圈 村 非线性系统辫模糊蠛篓预测控制 4 1 。4 冷水供给系统 冷承骰缭系统由一令求援、一螽承泵及调节鞠等缝残。隶疆终羧较大，霹藤 冷却作甏。 4 ，1 5 计算机控制系统 4 1 s 1 硬件设计 在控刮系绞豹硬俘设计中，采溺了上、下位税的结擒方式。下位机采用豹怒 a l l e n b r a d l e y 公司的可编稷逻辑控制嚣( p r o g a b l cl o g i cc o n 仃o l l e r ，下颇 简称p 王_ c ) ，上位机采用一台研华公司( a d v a n t e c h ) 的i p c 一6 1 0 工业p c 。篡 中p l c 完成实对数据的采集、转捺、p 粉蹲简单的控翎算法及控铷输出等功能， 邂可接受采鱼上位枫先进控制策略的控制信号；上位枫剐承担系统启停、数据镎 理、鑫示、建遂控裁策醚诗募、方案缀态与选择等珐麓。上、下稼瓤窝鹃遵讯囊 w 潦d 娌融e 公；疆貘懿软 孛 0s o 姆e f 葶羹黼x 7 s _ 隼卡繇台实瑰。蘩奁上穰蔽 懑淡故障辩，由予对系统煞羧裁可囊p 疋攀独实魂，敖铰能傈证控澍系统瓣燕 常进行。下位辊是可编程的，实验辩可将不同的控镪方案设计储存在强c 中， 控制策略由下位机实现，上位桃向搽作者提供选择。 在上下位枫均正常工作对，上彼枫为系统提供一个入机对话的窗目，系统崩 动时，先在上位机选择实验方案并设鼹系统参数，然后发出启动信号，由下位机 确动蒸汽加热器和水泵磊，系统才正式遮转。为保证系统的安全运萼亍，对上佼帆 设有严格的操作权限。 4 1 s 0 软锌设计 筝为一套可满怒多方面蜜验需求瓣貔壤实验装置，除了装嚣硬舞静建设辨， 它逐应该曩弯蕤兰大戆柔瞧，一方蘸必矮瀵跫鏊本熬实验要求，傻系统功褥熬 突瑗；舅一方嚣应兔第三方露户颈餐接瓣，镁嫣户爵鞋镶方便逢蔽鼗装嚣兔实验 平台，将自矗开发的软传( 如先进控制繁法) 嵌入到监控系统中，达到其实验蠢的。 为此，本套装置豹软件设计氛括上德瓿激籀软，f 牛帮下位枫实对控制软释两大部 分。 ( 1 ) 上挝机监控软件现代的工姚j 攮鼹控制以信息集成和综合处理为特征， 个先进的实验装嚣应能成为体现当时先进水平的实验平台。因此上位机聚用了 荧阁w j n d e 公司的工业控制平台软件i n t o u c h 。 i n t o u c l l 最早予9 0 年代初拄逡，撼个慕爝w i 毪鑫o w s 作为平台，以翔络为媒 体，与下位机系统或其上级系统进行数掇交换、信息处理，以对被控对象实施众 过程鹣实辩篮溪与捺割舞曩搀魏优秀欺襻。氧撞o u e h 为王程薅帮操